CN101285162A - 涂覆活塞环槽的热喷涂方法、喷涂丝的用途和活塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涂覆活塞环槽的热喷涂方法，其用于涂覆两冲程大型柴油机的活塞(1)的活塞环槽(2)，在该方法中，为了在该活塞环槽(2)中容纳并引导活塞环(3)，该活塞环槽(2)被靠近燃烧空间的第一侧表面(21)、远离该燃烧空间的第二侧表面(22)和在活塞套(100)中的在周向地延伸的后表面(23)界定，该方法通过热式丝喷涂工艺来向该活塞环槽(2)的至少该第一侧表面(21)和/或该第二侧表面(2)提供热喷涂层(4)。本发明还涉及喷涂丝(5)的用途和根据本发明的方法所涂覆的活塞(1)。
Description
技术领域
根据独立权利要求1、14和18的前序部分，本发明涉及一种用于涂覆两冲程大型柴油机的活塞的活塞环槽的热喷涂方法，涉及一种根据本发明的方法的喷涂丝用于生产热喷涂层的用途，并且涉及一种用于两冲程大型柴油机的具有根据本发明的方法制造的热喷涂层的活塞。
背景技术
从现有技术已知的用于大型柴油机的活塞通常配备一组多个活塞环，这些活塞环彼此层叠设置，每一个活塞环在相应的活塞环槽中。已知活塞环组通常包括至少两个活塞环，然而，取决于大型柴油机的大小及/或功率或取决于操作该机器的要求或特殊操作条件，大部分包括三个、四个或甚至五个活塞环。
这些活塞环履行不同的功能，诸如在汽缸中引导活塞，分配及/或刮掉在汽缸的运行表面上的润滑剂，相对于活塞下面和曲柄外壳密封燃烧空间等，这些活塞环在操作状态容易受到相当大的负荷。因此，活塞环与汽缸运行表面直接摩擦接触，燃烧压力必须被活塞环吸收且不是最少地活塞环还容易受到相当大的热、机械和化学负荷。在两冲程柴油机中的燃烧期间产生尤其是化学腐蚀性的条件，该两冲程大型柴油机燃烧重油、柴油燃料、生物燃料等作为燃料或者在特殊情况下也燃烧天然气。
除了在活塞环自身上的磨损防护涂层之外，长期以来已知也向活塞环槽整个地或部分地提供磨损防护层。就此而论，实质上在高度上界定活塞环槽的活塞环槽的侧表面必须受到保护以防止磨损而且对于活塞环槽的在周向地延伸的后表面需要较少的磨损防护。
在(例如)CH 375 951中介绍了由硬铬制成的磨损防护层，这些磨损防护层被广泛地用于活塞环槽的侧表面，尤其是用于柴油机。这样的硬铬层通常在镀液中电镀施加且具有许多缺点。用于施加已知硬铬层的方法是非常复杂且因此昂贵的，而且另外，电镀(electro-galvanic)工艺尤其是不再符合目前所需要的日益严格的环境标准。另外，这些层并不能应付主要在大型柴油机中长期出现的高负荷。高温结合高压、磨粒(例如，其可经由燃料供给或伴随增压空气供给)导致已知硬铬层过早磨损。
为了避免这些问题，在EP 1 618 323中提出了在活塞环槽的侧表面上利用热喷涂层来代替电镀施加硬铬层，该热喷涂层通过高速火焰喷涂来进行热喷涂，该高速火焰喷涂是一种通常被称作HVOF方法(高速氧燃料)的方法。
当然，使用这种方法可以避免伴随电镀施加硬铬层的许多问题，然而，已示出这些HVOF层的优点也必然地带来了新的缺点。
HVOF方法的基本缺点在于它的执行基本上是相对复杂且昂贵的。因此，根据EP 1 618 323，在施加通过HVOF喷涂的层之后，如果要生产适当品质的层，必须通过供给保护气体来进行热处理。通过热处理来防止氧化，特别是在HVOF层与基层材料的连接区中的氧化，借此应保证磨损防护层改进的粘合。
然而，对于特别是相对较窄和较深活塞环槽的涂覆而言更为关键的是必须被尽可能地成直角地涂覆将要被涂覆的表面(即，在活塞环槽的情况下，侧表面)。即，如果要通过HVOF方法制造高品质的层，涂覆束必须被尽可能垂直地指向将要涂覆的表面。涂覆角与垂直的偏离越大，对通过HVOF所产生的层的孔隙度、硬度和最重要的粘合强度的影响就越不利。
这个事实基本上是非常合理的，因为在HVOF方法中，用于将要被喷涂的粒子的熔化或表面熔化的熔化能的相当大的部分是通过粒子在将要被涂覆的表面上的冲击功由粒子的动能转换成热能而产生。如果现在喷涂角显著偏离粒子在将要被涂覆的区域的表面上的垂直入射，那么随着角度变得越来越平坦从动能到热能的能量转换效率将会越来越低，这对层的品质有着相应的负面影响。
既然只是由于相对较窄和较深活塞环槽的单纯的几何原因，无论如何不能够以接近垂直方式将涂覆束导向到将要被涂覆的侧表面上，那么，在EP 1 618 323中所公开的HVOF方法中关于喷涂到活塞环槽的侧表面上的磨损防护层的品质必须做出折衷。
即，既然出于单纯的几何原因，在窄活塞环槽中的侧表面必须总是以显著偏离直角的角度喷涂，且，例如，通常成大约45°的角度，当使用HVOF方法时基本上不可能制造出具有高品质和令人满意的产品寿命的层，这些层通过压力、温度、化学侵蚀、磨粒等耐受巨大负荷，诸如在两冲程大型柴油机的操作期间不可避免地发生的负荷。
另外，通过HVOF施加到活塞环槽的侧表面上的层的品质还由于以下事实而进一步降级，这个事实是，通常，在侧表面的整个深度上(换言之，从外活塞套表面到活塞环槽的周围后表面)不能够以恒定的喷涂角来喷涂这些侧表面。
在凹槽的较深内部，大部分被喷涂的材料以比在外活塞套表面附近外缘处更浅的角度冲击在侧表面上。这导致层的品质在朝向活塞中心的方向或在相反方向中改变。这在层中导致内应力并导致磨损防护层的不均匀磨损，因此，在一段较短的操作时间之后，活塞环在活塞环槽中的引导就以不可接受的方式恶化，以致很早就需要复杂的维修和修理措施，这是很不经济的，而且最终，如果未能及时认识到这种过早磨损，甚至可能会导致与安全性或与发动机的严重的二次损害相关的问题。
发明内容
根据现有技术，因此，本发明的目的在于提出一种用于涂覆活塞环槽的改进的热喷涂方法和一种相应的改进活塞，利用该活塞避免了上述缺点且因此也确保了两冲程大型柴油机的更为经济的操作、大型柴油机和相关部件的更长的维修间隔和最终更长的工作寿命。
满足这个目的的本发明的主旨由独立权利要求1、14和18的特征来表征。
从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。
因此，本发明涉及一种热喷涂方法，其用于涂覆两冲程大型柴油机的活塞的活塞环槽，在该方法中，为了在该活塞环槽中容纳并引导活塞环，该活塞环槽被邻近燃烧空间的第一侧表面，远离该燃烧空间的第二侧表面和在活塞套中在周向地延伸的后表面界定，该方法的特征在于，通过热式丝喷涂工艺(thermal wire spraying process)向该活塞环槽的至少该第一侧表面和/或该第二侧表面提供热喷涂层。
对于本发明而言重要的是认识到通过丝喷涂工艺所喷涂的层的品质对于喷涂角变化的反应非常不敏感，这些层以较广角度范围中的喷涂角施加到衬底上。
已特别地示出所喷涂的层的品质特征，诸如使用丝喷涂工艺所涂覆的活塞环槽的侧表面的硬度、孔隙度、粘合强度也基本上不会由于喷涂角而恶化，该喷涂角显著从相对于相关侧表面的表面法线的0°偏离，即，也成显著偏离垂线的喷涂角。
就此而论，在本申请的上下中术语喷涂角应被理解为始于丝喷涂枪的喷涂材料束的溅射轴线与将要被涂覆的层的表面法线所形成的角度。
因此，使用根据本发明的方法，第一次也可不产生问题地将热喷涂层施加到活塞环槽的相对较宽的侧表面上，即使在显著大于0°的喷涂角的情况下，这些热喷涂层具有极好的品质，例如，关于在侧表面的整个区域上层的硬度、孔隙度、粘合强度和均匀性的要求。
因此，可以不产生问题地喷涂一流的层，例如，以相对于侧表面的法线成70°的喷涂角，其中这种层在它们的品质方面与在实验/测试中使用同样的丝喷涂工艺以垂直冲击(换言之，以0°喷涂角)所喷涂的层实际上是相同的。
因此，不只是可以不产生任何问题地顾及将要被涂覆的侧表面的较难的几何形状而且所喷涂的层远比从现有技术已知的HVOF层更加均匀。这是由于以下事实：(例如)在周向地延伸后壁附近的凹槽深处(在此很可能发生较大喷涂角)与外活塞表面附近边缘处(在此很可能预期是较小的喷涂角)之间的喷涂材料的不同入射角实际上对所喷涂的层的特征没有影响。
因此，使用根据本发明的方法，在第一喷涂角大约为0°且第二喷涂角为40°的情况下，制造出实际上具有相同粘合强度的热喷涂层。就此而论，测量到超过5000psi的粘合强度，在不同情况下超过6000psi的粘合强度和甚至超过7500psi的粘合强度值(psi＝磅每平方英寸)。
另外，已示出使用丝喷涂工艺，根据本发明喷涂的层也不再必须经受复杂的热处理。即使不进行热处理，这些层在互连区也展示卓越的抗氧化性，其中同时还可不产生任何问题地达成900维氏和更高的硬度，特别是在使用纳米钢(nano-steel)的情况下。
就此而论，在装置方面复杂的丝喷涂工艺从根本上比HVOF方法更经济，即使是对于非高素质的工作人员也更易于操作，而且在市场上可购买到以喷涂丝形式的喷涂材料的更广泛的选择，这些丝喷涂材料廉价而且易于获得。
在这个设置中，根据本发明的热喷涂层实际上是耐磨层。在特殊情况下，它也可能是防污层或其它层，其中，在特殊情况下，也可能是多功能层，这些多功能层同时履行多种功能。
具体而言，特别地，火焰丝喷涂方法、等离子丝喷涂方法或电弧丝喷涂方法被讨论成丝喷涂方法，它们均是本身熟知的且在K.Smolka，Deutscher Verlag
schweisstechnik GmbH的“ThermischesSpritzen：(“Thermal Spraying”)”中详细介绍。就此而论，已示出电弧丝喷涂方法特别适于涂覆活塞环槽。
原则上，所有适当喷涂丝被讨论成喷涂丝，它们也同样特别地在上文所引用的Smolka的专著中介绍，其中填充焊丝的使用(它实际上是本领域一般技术人员已知的)在实践中自身被显示为非常有利的，特别是那些包括纳米粒子和/或非晶相和/或硬体相的填充焊丝。通过这种方法，可制造出具有明确特征的层，换言之，这样的一些层具有750HV或更高的硬度，且就此而论例如同时具有足够高的延性，良好的粘合性且在它们的膨胀系数方面类似于活塞的基层材料，因此即使在较大温度负荷情况下，诸如较大温差或较大温度波动情况下，在根据本发明喷涂的层中或该层与衬底之间几乎不产生应力。
就此而论，特别适合的喷涂丝优选地由元素C、Cr、Mn、Mo、B、W、Nb、Si和Fe组成，其中喷涂丝可具有以下成分：
C＝按重量计2％到6％
Cr＝按重量计10％到30％
Mn＝按重量计2.5％到7.5％
Mo＝按重量计5％到15％
B＝按重量计2.5％到7.5％
W＝按重量计4.5％到13.5％
Nb＝按重量计4.5％到13.5％
Si＝按重量计1％到3％
Fe＝按重量计到100％的差值。
使用特别适于涂覆活塞环槽的喷涂丝在测试中关于该层的粘合强度、耐磨性、持久性可达成最佳结果和750HV到远高于900HV的硬度，这种特别适于涂覆活塞环槽的喷涂丝具有以下成分：
C＝按重量计2％到4％
Cr＝按重量计10％到20％
Mn＝按重量计2.5％到5％
Mo＝按重量计5％到10％
B＝按重量计2.5％到5％
W＝按重量计4.5％到9％
Nb＝按重量计4.5％到9％
Si＝按重量计1％到2％
Fe＝按重量计到100％的差值。
就此而论，通过喷涂丝的精确成分的适当选择，可以相应地优化或调节相关特征，诸如，硬度、延性、粘合强度、孔隙度等。
如已在上文中详细解释的那样，使用根据本发明的方法，可相对于活塞环槽的第一侧表面和/或第二侧表面的表面法线成一定角度来热喷涂该热喷涂层，特别地，相对于活塞环槽的第一侧表面和/或第二侧表面的表面法线成0°与80°之间的角度，尤其是30°与70°之间的角度，特别是50°与60°之间的角度。
就此而论，在特殊情况下，也可自然地涂覆该活塞环槽的在周向地延伸的后表面，或者也可利用挡块来覆盖该活塞的特定区域。
然而，由于已示出当使用从现有技术已知的挡块时，在实践中常常会产生一大堆的问题，特别地，不只是在挡块边缘附近，层粘合性较差或倾向于剥落，活塞的表面优选地完全被涂覆热喷涂层且随后再次从不要被涂覆的表面区域移除该热喷涂层。
因此，例如在涂覆工艺中可简单地也涂覆该活塞环槽的在周向地延伸的后表面和/或该活塞的外表面的一部分。然后，例如，通过研磨、抛光、珩磨、切屑形成方法或任何其它适当方法来再次移除该防护层使得在周向地延伸的槽和外表面再次没有防护层。因此，避免了对热喷涂层的上述负面影响，尤其是在层的边缘区域。
在非常特殊的情况下或者选择性地对于活塞的特定表面区域，如果预期掩模不会造成任何缺点(例如，由于特殊的几何形状的原因)，不要被涂覆的表面区域可自然地被挡块覆盖。
就此而论，根据本发明的热喷涂层可具有非常高的硬度，例如，高于600HV的硬度，特殊地高于750HV的硬度，通过使用根据本发明的方法，甚至可以无任何问题地制造出硬度大于900HV的层。
热喷涂层的典型层厚介于0.1mm与1mm之间，特别地介于0.3mm与0.6mm之间。
本发明还涉及通过上文所详细解释的根据本发明的方法的用于至少在活塞环槽的侧表面上生产热喷涂层的包括元素C、Cr、Mn、Mo、B、W、Nb、Si和Fe的喷涂丝的用途。
所用喷涂丝优选地具有上文已详细指定的特殊化学成分，且同样如已提到，可以是填充焊丝，特别是填充有纳米粒子的填充焊丝和/或填充有非晶相的填充焊丝和/或填充有硬质相的填充焊丝。
另外，本发明涉及一种用于两冲程大型柴油机具有使用上文所述的根据本发明的方法所制造的热喷涂层的活塞。
附图说明
现将在附图的帮助下在下文中更详细地介绍本发明，在附图中示意示出：
图1是处于内置状态具有根据本发明的热喷涂层的活塞；
图2是根据本发明用于活塞环槽的侧表面的涂覆方法。
具体实施方式
在图1中，部分以截面图示意说明了处于内置状态具有根据本发明的热喷涂层的两冲程大型柴油机的活塞。
活塞1以本身已知的方式设置在汽缸6上，其中该活塞1被设置成可沿着汽缸运行表面61往复移动。活塞环3设置于活塞环槽2中，在两冲程大型柴油机的操作状态，该活塞环3与汽缸运行表面61直接摩擦接触。
在图1所示的实施例中，活塞环组仅包括在两个活塞环槽2中的两个活塞环3，在这两个活塞环槽2中的每一个活塞环槽中，涂覆邻近燃烧空间的第一侧表面21和远离燃烧空间的第二侧表面，而并不涂覆在活塞裙100中的在周向地延伸的后表面23，该周向延伸的后表面23在活塞1未示出中心轴线的方向界定活塞环槽2。
应了解在另一实施例中，活塞1也可具有多于或少于两个的活塞环3或活塞环槽2，且特别地也可向在周向地延伸的后表面23提供热喷涂层4或可能一点都不涂覆某一活塞环槽2，例如引导不容易受到非常高应力的活塞环3的活塞环槽2。在另一示例中，可只是向邻近燃烧空间7的第一侧表面21(例如出于效率的原因)提供根据本发明的热喷射涂层，而并不涂覆远离燃烧室7的第二侧表面22，或者可只是向远离燃烧室7的第二侧表面22提供根据本发明的热喷射涂层，而并不涂覆邻近燃烧室7的第一侧表面21。
然而，根据本发明，在图1的示例中，通过热丝喷射方法，不仅向两个活塞环槽2的第一侧表面21而且也向第二侧表面22提供热喷射层4。
在图2示意示出活塞环槽2的侧表面22的根据本发明的涂覆工艺。侧表面21尚未被涂覆且仅在随后的第二作业步骤中被涂覆根据本发明的热喷涂层4。
喷枪8是本身已知的电弧丝喷涂枪8，其中在两个填充焊丝5之间点燃电弧，这使喷涂丝5熔化。通过在雾化轴线81的方向中的雾化气体将熔化材料射到将要被涂覆的表面22上。
角度α，在本文中也被称作喷涂角α，被定义为在涂覆侧表面22期间在侧表面22的表面法线N与雾化轴线81之间的角度α。在目前的情况下，喷涂角α等于大约45°。在喷涂层4的已喷涂层区域400(换言之，位于更靠近在周向地延伸的后表面23的区域400中)的先前喷涂工艺中的喷涂角α较大。这表示在喷涂工艺中喷涂角α根据活塞环槽2的几何形状进行调适，如上文所解释，当使用根据本发明的方法时，这对热喷涂层4的品质绝对没有负面的影响。
在这种设置中，图2的喷涂层4具有厚度D(即，例如，0.5mm厚)且具有超过900HV的硬度。
不言而喻，在本申请中所介绍的根据本发明的示例应被理解为举例说明且特别地所说明的实施例的所有适当组合均包括于本发明中。
Claims (18)
1.一种热喷涂方法，用于涂覆两冲程大型柴油机的活塞(1)的活塞环槽(2)，其中，为了在所述活塞环槽(2)中容纳并引导活塞环(3)，所述活塞环槽(2)被靠近燃烧空间的第一侧表面(21)、远离所述燃烧空间的第二侧表面(22)和在活塞套(100)中在周向地延伸的后表面(23)界定，其特征在于，通过热式丝喷涂工艺来向所述活塞环槽(2)的至少所述第一侧表面(21)和/或所述第二侧表面(2)提供热喷涂层(4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热喷涂层(4)是磨损防护层(4)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述丝喷涂方法是火焰丝喷涂工艺、等离子丝喷涂工艺，特别是电弧丝喷涂工艺。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，填充焊丝被用作所述喷涂丝(5)，特别是具有纳米粒子的填充焊丝和/或具有非晶相的填充焊丝和/或填充有硬质相的填充焊丝(5)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂丝(5)由元素C、Cr、Mn、Mo、B、W、Nb、Si和Fe组成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂丝(5)具有以下成分：
C＝按重量计2％到6％
Cr＝按重量计10％到30％
Mn＝按重量计2.5％到7.5％
Mo＝按重量计5％到15％
B＝按重量计2.5％到7.5％
W＝按重量计4.5％到13.5％
Nb＝按重量计4.5％到13.5％
Si＝按重量计1％到3％
Fe＝按重量计到100％的差值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂丝(5)具有以下成分：
C＝按重量计2％到4％
Cr＝按重量计10％到20％
Mn＝按重量计2.5％到5％
Mo＝按重量计5％到10％
B＝按重量计2.5％到5％
W＝按重量计4.5％到9％
Nb＝按重量计4.5％到9％
Si＝按重量计1％到2％
Fe＝按重量计到100％的差值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，相对于所述活塞环槽(2)的所述第一侧表面(21)和/或所述第二侧表面(22)的表面法线(N)倾斜地热喷涂所述热喷涂层，特别地相对于所述活塞环槽(2)的所述第一侧表面(21)和/或所述第二侧表面(22)的表面法线(N)成介于0°与80°之间的喷涂角(α)，尤其成介于30°与70°之间的喷涂角(α)，特别地成介于50°与60°之间的喷涂角(α)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述活塞(1)的表面(1000)被完全涂覆所述热喷涂层(4)，且随后从不要被涂覆的表面区域(1001)再次移除所述热喷涂层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在涂覆工艺中，通过掩模来隔离不要被涂覆的表面区域(1001)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，热喷涂层(4)被喷涂成具有大于600HV的硬度，尤其具有大于750HV的硬度，特别地大于900HV的硬度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热喷涂层(4)具有大于5000psi，尤其是大于6000psi，特别的大于7500psi的粘合强度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热喷涂层(4)被喷涂成介于0.1mm与1mm之间的厚度(D)，特别地具有0.3mm与0.6mm之间的厚度。
14.一种喷涂丝(5)的用途，所述喷涂丝包括元素C、Cr、Mn、Mo、B、W、Nb、Si和Fe，用于根据权利要求1至13中任一项来产生热喷涂层(4)。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述喷涂丝(5)具有以下成分：
C＝按重量计2％到6％
Cr＝按重量计10％到30％
Mn＝按重量计2.5％到7.5％
Mo＝按重量计5％到15％
B＝按重量计2.5％到7.5％
W＝按重量计4.5％到13.5％
Nb＝按重量计4.5％到13.5％
Si＝按重量计1％到3％
Fe＝按重量计到100％的差值。
16.根据权利要求14或15所述的用途，其特征在于，所述喷涂丝(5)具有以下成分：
C＝按重量计2％到4％
Cr＝按重量计10％到20％
Mn＝按重量计2.5％到5％
Mo＝按重量计5％到10％
B＝按重量计2.5％到5％
W＝按重量计4.5％到9％
Nb＝按重量计4.5％到9％
Si＝按重量计1％到2％
Fe＝按重量计到100％的差值。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的用途，其特征在于，所述喷涂丝是填充焊丝(5)，特别是填充有纳米粒子的填充焊丝和/或填充有非晶相的填充焊丝和/或填充有硬质相的填充焊丝。
18.一种用于两冲程大型柴油机的活塞，所述活塞具有使用根据权利要求1至13中任一项所述的方法制造的热喷涂层(4)。
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